坡地建筑地下室整體計算的機理分析課件

坡地建筑地下室整體計算的機理分析1云南怡成建筑設計有限公司潘凱云 商黔建 羅強軍 和辛二0一二年十一月九日

一、前言。2

省政府提出了城鎮(zhèn)上山的總體城鎮(zhèn)建設方針，使山（坡）地建筑大量出

現(xiàn)。我省又是地震高發(fā)區(qū)，因此山（坡）地建筑的抗震設計和如何理解執(zhí)行規(guī)范

出現(xiàn)了一些需要討論的問題。

二、問題的提出。3

新版《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011-2010（以下簡稱《抗規(guī)》）在6.1.14條的條文說明中，作了如下說明：

“為了能使地下室頂板作為上部結構的

嵌固部位，本條規(guī)定了地下室頂板和地

下一層的設計要求：

4地下室頂板必須具有足夠的平面內(nèi)剛度，以有效傳遞地震基底剪力。地下室頂板的厚度不宜小于180mm，若柱網(wǎng)內(nèi)設置多個次梁時，板厚可適當減小。這里所指的地下室應為完整的地下室，

在山（坡）地建筑中出現(xiàn)地下室各邊填

埋深度差異較大時，宜單獨設置支擋結

構?！?/p>

由于新版《抗規(guī)》上述條文說明中的最后一句話，不同的理解產(chǎn)生了不同的處理方法，以三邊覆土一邊臨空的地下室為例：

如圖：某項目在地下室頂板上布置有6棟100m高的高層建筑，地下室為三層，長200m，寬120m，有三邊地下室三層全部覆土，有一邊地下室覆土兩層，一層地下室臨空。5678

9其中一種觀點的處理方法要求這類項目應按下述方式處理才能滿足上述《抗規(guī)》條文說明的要求：

1.三邊全覆土的部分應設計一層地下室高度的擋土墻，使地下一層完全與埋覆土脫開，項目變成四邊全埋覆的兩層地下室；

2.按下述兩種方式處理其上塔樓的設計計算：

1）按有200×120m的一層裙樓，其上有6個塔樓和多個裙樓進行大底盤多塔樓設 計計算分析；

2）如果考慮大底盤多塔樓屬嚴重超限或因軟件功能難于計算分析則另一種方法為：用抗震縫將6個塔樓和多個裙樓與一層地下室脫開，分別計算6個塔樓多個裙樓和一層“裙樓”。10

按上述要求實施存在如下問題：

1.在臨時支護結構和支護結構與地下室之間的回填土上設永久性的擋土墻有較大的難度；

2.使200m×120m面積上的雨水排放產(chǎn)生困難；11

3.給供配電、市政電話、電視、網(wǎng)絡、給水、排水管線的進出產(chǎn)生困難，必須全部用柔性接口；

4.結構的適用高度按《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》JGJ3-2010（以下簡稱《高規(guī)》）很可能應減少一個地下室的高度；12

5.由于上述原因，建設單位很難接受，特別是要多做500多米的擋土墻，甚至

減少樓層，經(jīng)濟損失太大。

6.《抗規(guī)》和《高規(guī)》在概念設計上的一個原則是抗震設計能整體盡可能整體，不主張多設抗震縫。按上述方法，在地下室與周邊擋土墻之間和6棟塔樓和多棟裙樓建筑周邊的抗震縫給施工、今后的使用、維護，特別是防水構造帶來困難。13

三、由于存在上述困難和問題，我們提出如下指導思想和另外的解決方案。

1.指導思想：

1）文獻④在表述地震作用理論時有如下論述：14

“地震力理論可劃分為兩大類，一是靜力法，二是動力法。動力理論方法包括：①基于地震反應譜的底部剪力法；②以地震反應譜為基礎的振型分解法；③時程分析法；④隨機振動分析法。15

16通常將在抗震規(guī)范中采用的確定地震力的方法稱為規(guī)范估計法，它是

一種簡化、粗略，但又行之有效的方法?！?/p>

即它不像古典力學那么精準，但對抗震起到了控制性作用。

2）關于“嵌固”的概念：

a.《抗規(guī)》和《高規(guī)》都明確地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時，應符合：

①

地下室頂板的剛度強度和配筋以及不宜開大洞，保證上部結構基底水平力的傳遞；17

②

地下一層側向剛度大于地上結構首層的兩倍，地下室計算側向剛度的外擴范圍，《抗規(guī)》為不超過20m，《高規(guī)》為不超過三跨；

③

框架、剪力墻的抗彎承載力和縱向

鋼筋地下應大于地上，防止塑性角同時

或先于地上構件發(fā)生，失去嵌固的作用。

④《抗規(guī)》還在條文說明中提出周邊覆土的要求。18

b.

《建筑地基基礎設計規(guī)范》

GB50007-2011（以下簡稱《地基基礎規(guī)范》）有如下詳細規(guī)定：

“8.4.25采用筏形基礎帶地下室的高層和底層建筑、地下室四周外墻與土層緊密接觸且土層為非松散填土、松散粉細砂土、軟塑流塑黏性土，上部結構為框架、框剪或框架—核心筒結構，當?shù)叵乱粚咏Y構頂板作為上部結構嵌固部位時，應符合下列規(guī)定：19

①

地下一層的結構側向剛度大于或等于與其相連的上部結構底層樓層側向剛度的1.5倍。

②

地下一層結構頂板應采用梁板式樓蓋，板厚不應小于180mm，其混凝土強度等級不宜小于C30；樓面應采用雙層雙向配筋，且每層每個方向的配筋率不宜小于0.25%。

③

地下室外墻和內(nèi)墻邊緣的板面不應

有大洞口，以保證將上部結構的地震作

用或水平力傳遞到地下室抗側力構件中。20

④

當?shù)叵率覂?nèi)、外墻與主體結構墻體之間的距離符合表8.4.25的要求時，該范圍內(nèi)的地下室內(nèi)、外墻可計入地下一層的結構側向剛度，但此范圍內(nèi)側向剛度不能重疊使用于相鄰建筑。當不符合上述要求時，建筑物的嵌固部位可設在筏形基礎的頂面，此時宜考慮基側土和基底土對地下室的抗力?！?1

表

8.4.25地下室墻與主體結構之間的最大間距在該條的條文說明中有如下論述：22

“通常在設計中都假定上部結構嵌固

在基礎結構上，實際上這一假定只有在

剛性地基的條件下才能實現(xiàn)。對絕大多

數(shù)都屬柔性地基的地基土而言，在水平

力作用下結構底部以地基都會出現(xiàn)轉(zhuǎn)動，因此所謂嵌固實質(zhì)上是指接近于固定的

計算基面。本條中的嵌固即屬此意?！?3

“對有抗震設防要求的高層建筑基礎和地下結構設計中的一個重要原則是，要求基礎和地下室結構應具有足夠的剛度和承載力，保證上部結構進入非彈性階段時，基礎和地下室結構始終能承受上部結構傳來的荷載，并將荷載安全傳遞到地基上?！?4

c.

由上面三部規(guī)范、規(guī)程的表述和住建部中國標準院編著的設計技術措施（不再重復引述）中的表述都表明上部結構嵌固在地下室頂板的概念包含下述要點。

①

地下室頂板和地下室結構應有足夠的剛度和強度，當上部結構進入非線性時自身還能正常工作，并將作用力傳到基礎和地基；25

②

地下室四周有覆土是條件之一，但不是唯一的條件；《地基基礎規(guī)范》表述四周覆土可以是軟塑或流塑的黏性土說明地下室四周覆土并不能防止地下室產(chǎn)生水平位移。地下室在強震下有無水平位移并不是嵌固作用的必要條件；

③

所謂嵌固實質(zhì)上是指接近于固定的計算基面。26

d.《地基基礎規(guī)范》8.4.25條條文說明中例舉舊金山一棟257m高的建筑1989年強震作用下地下室整體水平位移52.4mm，還產(chǎn)生了萬分之三的整體轉(zhuǎn)角。

這一實例除了說明地下室近似的有限剛性外，還說明強震作用下地下室的水平位移遠小于被動土壓力的變形假定，因此文獻⑩中，地下室外墻擋土計算采用靜止土壓力是合理的。27

3）前述的第一種處理方法：設擋墻不使地下一層外墻擋土，用抗震縫把地下室上的塔樓和裙樓均脫開，完全符合了《抗規(guī)》6.1.14條的條文說明的規(guī)定，使地下一層、塔樓、裙樓均為嵌固在地下二層頂板的獨立建筑，看似準確執(zhí)行了規(guī)范，但最大的問題是由于地下一層有一邊臨空，把一個完整的建筑搞的支離破碎并帶來了上述6個方面的問題，28

我們執(zhí)行規(guī)范、解決問題的方法是要為工程服務的，應對工程的實施和多專業(yè)的配合效果有所考慮，對業(yè)主的需求29和資源的節(jié)約有所考慮。因此值得商榷。

4）我們理解《抗規(guī)》6.1.14條條文說明最后一句話是針對汶川地震震害調(diào)查中單棟5層左右的建筑，由于結構體系有缺陷，又用一層在一側擋土加之坡地的不穩(wěn)定造成的震害，而不應將這一震害沒有限制的推廣到有多個高層塔樓的大型地下室工程中。30

5）文獻③在對規(guī)范的條文和條文說明有如下解釋：

“《抗規(guī)》的條文分為“強制性”和

“非強制性”兩類，建設主管部門對條文的執(zhí)行有明確規(guī)定。條文說明只是為了理解和實施條文所作的解釋性文字、數(shù)據(jù)、圖表和公式等，有些內(nèi)容甚至保留了89規(guī)范和2001規(guī)范的內(nèi)容，目的是便于設計人員學習規(guī)范，了解規(guī)范背景和歷史沿革。因此，不能將條文說明等同于條文本身，也不能要求設計都按照條文說明執(zhí)行?！?1

32上述《抗規(guī)》6.1.14條條文說明的最后一句話首先是在條文說明中，并且用詞為“宜”。因此應該允許有其他的解決方案。

2.我們的解決方案（含多種情況）：

1）我們貫徹規(guī)范編制者對《抗規(guī)》地震作用是“規(guī)范估計法”的指導思想，把握“簡化”和“行之有效”的原則，提出方案。33

2）如圖，有斜線部分為三邊覆土，沒有斜線部分為一邊臨空，示意地下一層平面，沿X、Y軸坐標系，兩個軸分別用XA、XB、YA、YB表示地震作用的不同方向。34

35當?shù)卣鹱饔脼閄A方向時，由于地下一層臨空，地下一層不足以約束其上的塔樓，地下二層起到約束作用。

當?shù)卣鹱饔脼閄B、YA、YB方向時，由于三邊均有覆土。地下一層頂板有約束作用。

36因此遇這種情況，將地下室上的塔樓和裙樓都分別按嵌固在地下二層頂

板和嵌固在地下一層頂板進行計算，取

其結果的包絡，抗震措施和構造措施也

按兩個嵌固層包絡，其他均按常規(guī)設計，這樣既解決了臨空面的問題，又保證了

工程的整體性，也避免了出現(xiàn)上述各類

問題。

37建筑高度的計算按就近的室外地面起計算的原則，臨空面一側一定范圍內(nèi)的塔樓就要按地下二層頂板的室外地面算起，其他塔樓就按地下一層頂面的室外地面算起。

3.解決方案的延伸：38

沿上述簡圖XB方向較深的塔樓，如果考慮地下室兩側的土的摩阻力和地下室底板的摩阻力大于XB方向的靜止土壓力，且考慮地下室兩側墻和地下室中的剪力墻的相當大的抗側剛度，也可以按文獻③將其僅嵌固在地下一層頂板進行設計。

4.坡地上四層左右的單棟或兩個單元聯(lián)排的小型建筑，規(guī)劃師和建筑師為減少大面積的挖填土方和提升建筑品質(zhì)在坡地上依山就勢的布置，往往會大量出現(xiàn)下部一層進車，上部一層甚至兩層為入戶入口，這樣就出現(xiàn)了一側需要一層或兩層高擋土的問題，現(xiàn)提出處理的原則如下：39

1）在整個區(qū)域場地工程地質(zhì)穩(wěn)定性分析的基礎上，依據(jù)巖土工程勘察報告提供的參數(shù)，對每個單棟建筑設計挖填方后的場地進行穩(wěn)定性分析，確保建筑的場地是穩(wěn)定的；40

2）原則上建筑前后地面高差兩層的建筑，應設擋土墻將建筑與后部的陡坡分開（中風化或微風化基巖的場地除外），并按《地基基礎規(guī)范》進行擋土墻設計，擋土墻的構造如溫度縫、排水孔、墻址排水溝等均應按規(guī)范設計。擋土墻的抗震設計應按《建筑抗震鑒定標準》（GB50023-2009）取擋土墻結構的地震角，并按《抗規(guī)》3.3.5條實施。41

3）對建筑前后地面高差為一層的建筑，可依據(jù)建筑的具體情況，由下述方法中選?。?/p>

a.我們總結設計成果，7度半以上的抗震設防區(qū)，對單棟或兩個單元聯(lián)排的小型建筑，采用剪力墻結構比框架結構更符合建筑功能要求，并且不比框架結構造價高，而抗側剛度遠大于《抗規(guī)》要求。42

當這類建筑出現(xiàn)一側有擋土要求時，可將擋土一側設計成全剪力墻，控制建筑整體的扭轉(zhuǎn)位移比不大于1.5。擋土的抗震設計按《抗規(guī)》3.3.5條或文獻9進行設計。43

b.第二種方法，將擋土一側的墻體與

擋土結構（鋼筋混凝土墻或重力式擋墻）分開，中間設柔性防水材料，擋土計算

和抗震計算按《抗規(guī)》3.3.5條或文獻9進行設計。44

c.第二種方法同上述第2）款的作法，單獨設重力式擋土墻。

5.當大型地下室地下一層設有地下商場或超市時，地下一層頂板往往會開較大的洞口，設計成下沉式廣場或共享空間，這給抗震和消防都帶來了較大的困45難。我們采取如下措施：

1）與建筑師協(xié)商，盡可能避免洞口過長，對較長的洞口布置一些采用梁板結構的連廊，板厚大于180mm，補充由于開洞削弱的水平力傳遞作用；

2）靠近洞口的塔樓分別按嵌固在地下二層和嵌固在地下一層進行抗震分析，并取其結果的包絡，抗震措施和構造措

施也取兩個嵌固層的包絡。46

6.當對地下一層的臨空面進行埋土夯實時，什么條件可以認為其側限作用可視為近似的嵌固。

建議按同時滿足以下三個條件來判別：47

1）h0/h≥2/3

2）L/ho≥1